【正文】 () (a) (b) 懸臂梁：(a)受力彎曲,(b)截面尺寸(b)可知，慣性矩為I，因此當(dāng)矩形截面懸臂梁端部受力F時，其末端變形量 ()距中性層為y0處的縱向應(yīng)變（） ()令式()中，(b)所示的懸臂梁末端受力時其固定端最大應(yīng)變 ()應(yīng)變片接成惠斯通電橋后的輸出電壓計算公式為： ()式中n＝1,2,3,4分別表示接入電橋臂的應(yīng)變片的個數(shù)，敏系數(shù)，為應(yīng)變片感受的應(yīng)變，為惠斯通電橋激勵電壓?？筛鶕?jù)所需夾持力大小，利用式()來設(shè)計懸臂梁的尺寸及選擇應(yīng)變片的型號。選用國產(chǎn)HU1011K半導(dǎo)體應(yīng)變片，其靈敏系數(shù)＝150（）。當(dāng)將懸臂梁的尺寸h= mm時，電橋輸出電壓V133 mV。由圖可知，最大應(yīng)變?yōu)?30 μStrain，由式()計算所得結(jié)果相同。應(yīng)變片電橋輸出電壓與驅(qū)動電壓之間的關(guān)系曲線。在經(jīng)過合適的標(biāo)定后，通過應(yīng)變片輸出信號可得夾爪位置信號。當(dāng)微夾鉗的夾爪與被夾持物作用時，應(yīng)變片的輸出信號同時受壓電陶瓷執(zhí)行器驅(qū)動力和夾持力的影響，因此，此時的應(yīng)變片輸出信號同時包含了微夾鉗夾爪位置信號和夾持力信號，而此時夾爪位置已經(jīng)確定。應(yīng)用分析法確定被控對象及控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型時，常采用一些假設(shè)和近似，對于復(fù)雜的被控對象，其錯綜復(fù)雜的相互作用可能會對近似確定的數(shù)學(xué)模型產(chǎn)生估計不到的影響。數(shù)學(xué)模型實(shí)驗(yàn)測定的主要方法有：時域測定法、頻域測定法、統(tǒng)計相關(guān)測定法。時域測定法所采用的測試設(shè)備簡單，測試工作量小，因而應(yīng)用廣泛，但其測試精度不高。假設(shè)二階線性最小相位系統(tǒng)可以用如下的傳遞函數(shù)表示： ()在零初始條件假設(shè)下，在t=0時刻給定一個高度為h的階躍輸入u(t)，系統(tǒng)的輸出響應(yīng)為y(t)，y(t)中包含的自噪聲干擾為。使用最小二乘法可以獲得估計值 ()圖 實(shí)驗(yàn)測得的階躍輸入曲線圖 實(shí)驗(yàn)測得的輸出階躍響應(yīng)曲線根據(jù)上面的所講的二階辨識法的原理編寫計算程序如下：s=(1).Data(1714:2314)*(160)。for m=1:600。 end。 b=zeros(600:1)。b(m)=sum(A(1:m))。B=b*。for m=1:600。Q(m,2)=s(m)。end。運(yùn)行的結(jié)果為：= [ ] 從而可以確定出被測對象的傳遞函數(shù)為：頻域測定的主要過程是對被研究對象施加不同頻率的正弦波，測出輸入信號與輸出信號之間的幅值比和相位差，從而獲得被測系統(tǒng)或?qū)ο蟮念l率特性。對于這種方法確定傳遞函數(shù)，我們利用MATLAB自帶的系統(tǒng)辨識工具箱（System Identification Tool）輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)辨識，從而求出被測對象的傳遞函數(shù)。經(jīng)過MATLAB系統(tǒng)工具箱的辨識，發(fā)現(xiàn)三階的ARX模型的擬合效果較好。其傳遞函數(shù)的表達(dá)式為函數(shù)的極點(diǎn)為： + ， ，函數(shù)的零點(diǎn)為：1，統(tǒng)計相關(guān)測定法的主要過程是對被研究對象施加某種隨機(jī)信號，根據(jù)被測對象各參數(shù)的變化，采用統(tǒng)計相關(guān)法確定被測系統(tǒng)或?qū)ο蟮膭討B(tài)特性。本章主要講力/位置傳感，微裝配與微操作過程中，微夾鉗最基本的功能是夾持、保持和釋放被操作物體。由于粘附力大于重力，這樣就造成了夾鉗在微操作過程中不能正常釋放物體。針對這些粘附力研究相應(yīng)的方法來克服。本文設(shè)計的微夾鉗采用應(yīng)變式傳感器實(shí)現(xiàn)夾持力的測量和夾爪位置的測量。由于在后面的位移控制系統(tǒng)中需要微夾鉗的位移模型，本文采用最小二乘法和MATLAB的系統(tǒng)辨識工具箱建立模型，選其效果最佳者作為組成后面要講到的微夾鉗控制系統(tǒng)的位移模型。而判斷是否接觸到微小物體并且產(chǎn)生了多大的力，我們是通過檢測應(yīng)變得出的。通過返回的應(yīng)變信號來決定電壓大小。微夾鉗信號采集處理驅(qū)動電源dSPACE主機(jī)應(yīng)變信號控制輸入壓電陶瓷驅(qū)動電源從原理上可分為電壓控制型和電荷控制型，目前國內(nèi)大多采用相對簡單的電壓控制型驅(qū)動電源，國外多采用電荷控制型，可以相應(yīng)對壓電陶瓷的遲滯和蠕變有一定的改善。壓電陶瓷產(chǎn)品的工作過程如同一個電容器。靜態(tài)操作時基本不存在有效電流，漏電流也只有微安級或更低。根據(jù)以上分析，壓電陶瓷產(chǎn)品的驅(qū)動電源應(yīng)該具有如下特點(diǎn)： ①在實(shí)際應(yīng)用中，壓電陶瓷產(chǎn)品的輸出位移應(yīng)是連續(xù)的，這就要求驅(qū)動電源的輸出控制電壓連續(xù)可調(diào)；②壓電陶瓷產(chǎn)品輸出位移對外加驅(qū)動控制電壓的響應(yīng)速度，主要取決于驅(qū)動電源的上升時間，故需要驅(qū)動電源有很高的響應(yīng)速度；③為降低蠕變效應(yīng)的影響，驅(qū)動電源中應(yīng)有供容性負(fù)載的快速放電回路；④由于壓電陶瓷驅(qū)動器主要應(yīng)用于微米／納米技術(shù)領(lǐng)域，所以驅(qū)動電源應(yīng)具有良好的穩(wěn)定性，其輸出紋波電壓應(yīng)控制在很小的范圍內(nèi)；⑤為實(shí)現(xiàn)位移的自動控制，驅(qū)動電源應(yīng)與計算機(jī)有通訊接口，可以由計算機(jī)控制設(shè)定電壓等參數(shù)。其額定電壓電流分別為：032V，03A，功率為96W，低紋波，低噪聲，超快上升沿速度20mS。為了使接線盡可能簡單，我們采用了惠斯通電橋。由于現(xiàn)處于實(shí)驗(yàn)階段，dSPACE有內(nèi)帶的A/D轉(zhuǎn)換模塊，故不用設(shè)計A/D轉(zhuǎn)換電路，若以后繼續(xù)深入研究可將其完整。 信號處理電路因?yàn)椴钅Ｐ盘栂鄬τ诠材Ｐ盘柼?，所以容易被噪聲淹沒，并且電路板微小的溫度變化就會引起很大電壓漂移。運(yùn)放UU2組成第一級差分電路，U3組成第二級差分放大電路。在第一級電路中，vv2分別加到UU2的同相端，放大后的輸出為，R1和兩個R2組成反饋網(wǎng)絡(luò)，引入深度負(fù)反饋，再根據(jù)運(yùn)放的虛短、虛斷原理，可以得出： ()該放大電路的第一級由于是深度電壓串連負(fù)反饋電路，所以它的輸入電阻很高。由于這種儀用放大電路封裝好的芯片在市場上有賣，故選擇封裝好的芯片AD620。 AD620引腳圖 AD620與同原理的三片放大器組成的放大電路的比較根據(jù)（）式可知，只要調(diào)節(jié)就可以調(diào)節(jié)整個電路的放大倍數(shù)。2 、3腳接輸入放大的電壓，6腳為放大后的輸出電壓，5腳接參考電壓，7 、4接正負(fù)相等的工作電壓（選為10V）。 AD620的規(guī)格特性項(xiàng)目規(guī)格特性備注增益范圍1~1000只需一個電阻即可設(shè)定電源電壓 ~ 18V可用電池驅(qū)動，方便應(yīng)用于便攜式儀器中低耗電量Max supply current = mA精確度高40 ppm maximum nonlinearity。 offset drift of 低噪聲Low input voltage noise of 9 at 1 kHz一般情況下噪聲的頻率很高，采用低通濾波器將信號中的高頻噪聲予以衰減濾除。所以選擇有源二階濾波器。工頻信號為對應(yīng)變信號的干擾相當(dāng)大，所以低通濾波器的截止頻率50Hz，通過實(shí)驗(yàn)比較將截止頻率定為20Hz。通過調(diào)節(jié)的阻值來調(diào)節(jié)集成放大器正輸入端的電壓，使其與負(fù)端的偏差信號通過放大器比例相加，從而使輸出為零。①線性度電路放大倍數(shù)為40和200時。，電路放大倍數(shù)為40/200時，最大絕對誤差 ，由式()，可得信號放大處理電路的非線性度。電路的輸出與放大倍數(shù)之間的關(guān)系。取其大者，%。選擇了放大倍數(shù)為40和200進(jìn)行測試。 信號處理電路的紋波電壓 引言控制方法一般可以分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制，開環(huán)控制系統(tǒng)由于不能提供修正誤差的反饋量，控制效果在很大程度上取決于力/位移數(shù)學(xué)模型的精確度，并且要求控制器的性能高度穩(wěn)定，這些在當(dāng)前是較難實(shí)現(xiàn)的。微夾鉗閉環(huán)控制是通過力/位移傳感器檢測出壓電陶瓷微位移器的實(shí)際位移，并與給定力/位移進(jìn)行比較，得到二者之間的偏差，該偏差經(jīng)控制器運(yùn)算后得到壓電陶瓷執(zhí)行器的驅(qū)動電壓，從而實(shí)現(xiàn)微夾鉗力/位移控制。針對上述情況，本章根據(jù)前一章得到的微夾鉗位移模型，提出并研究了基于這一模型的前饋補(bǔ)償和PID反饋控制。位移傳感器和力傳感器驅(qū)動電源微夾鉗夾爪PID控制器前饋控制Ux2Uf2XoutFout－＋－＋1/K1/KUxinUfinUx1Uf1圖 帶前饋控制環(huán)節(jié)的PID閉環(huán)控制系統(tǒng)前饋控制的基本概念是測量重要的干擾變量，然后在它們影響到控制結(jié)果之前采取校正作用。 PID控制(1) PID控制簡介PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法簡單，魯棒性好和可靠性高被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制過程，至今仍有90％左右的控制回路具有PID結(jié)構(gòu)。其控制規(guī)律為 ()式中 ；為比例系數(shù)；為積分時間常數(shù)；為微分時間常數(shù)。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。② 積分(I)控制在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入積分項(xiàng)。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。③ 微分(D)控制在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。其原因是由于存在有較大慣性環(huán)節(jié)或有滯后組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。這就是說，在控制器中僅引入比例項(xiàng)是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是微分項(xiàng)，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。由于在對壓電陶瓷執(zhí)行器的控制中，主要關(guān)注的是執(zhí)行器的穩(wěn)態(tài)輸出位移，所以選定比例+積分(PI)控制器來對壓電陶瓷執(zhí)行器閉環(huán)控制。它是根據(jù)被控對象的特性確定PID控制器的比例系數(shù) 、積分時間和微分時間。但是得到的控制器的參數(shù)并不能直接應(yīng)用，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。因此，本文利用MATLAB強(qiáng)大的計算仿真能力，快速地仿真得到使PID控制系統(tǒng)達(dá)到滿意性能指標(biāo)的參數(shù)，簡化了參數(shù)整定過程，縮短利用工程整定方法來整定參數(shù)的時間。下面介紹幾種PID參數(shù)整定方法：①Ziegler Nichols整定方法，輸入為階躍信號,令積分時間常數(shù)Ti 趨于+ ∞，微分時間常數(shù)Td 趨于0，即Ki =0, Kd = 0，并斷開反饋連接線。所以可以得出整定后的參數(shù)為： ， Ziegler Nichols整定方法系統(tǒng)框圖 Ziegler Nichols整定方法原理圖 Ziegler Nichols法參數(shù)設(shè)置表調(diào)節(jié)方式PPIPID②臨界振蕩法同樣是階躍信號輸入,令積分時間常數(shù) 趨于+ ∞，微分時間常數(shù)趨于0，即Ki = 0， Kd = 0，調(diào)節(jié)Kp使輸出出現(xiàn)等幅振蕩,記下系統(tǒng)的臨界比例度 和振蕩周期 。 /4衰減振蕩法參數(shù)設(shè)置表調(diào)節(jié)方式PPIPID要使該微夾鉗系統(tǒng)要能產(chǎn)生理想的位移和適中的夾持力，我們通過應(yīng)變檢測夾持臂受到的力以及夾持臂的位移并通過控制壓電陶瓷執(zhí)行器的驅(qū)動電壓來調(diào)節(jié)力與位移，本章針對這一問題提出了微夾鉗控制系統(tǒng)設(shè)計。設(shè)計的信號處理電路包括放大、濾波、零偏校正電路組成，并對其的性能進(jìn)行分析。重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 全文總結(jié)與展望5 全文總結(jié)與展望 本文的主要研究工作已設(shè)計的一種基于雙邊且看和單邊切口直圓柔性鉸鏈的微夾鉗的單片柔順結(jié)構(gòu)，并采用了平行四邊形結(jié)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)位移放大的同時保證微夾鉗鉗口平行移動。該微夾鉗要能產(chǎn)生理想的位移和適中的夾持力，控制合適的驅(qū)動電壓是關(guān)鍵。該壓電微夾鉗的控制量是電壓V，反饋信號是夾持臂的應(yīng)變信號ε。本文的主要研究工作和成果包括：①針對理論上難以建立微夾鉗位移模型，通過實(shí)驗(yàn)的測試，得出壓電陶瓷執(zhí)行器的驅(qū)動電壓與微夾鉗夾持臂的輸出位移間的關(guān)系，再通過最小二乘辨識和MATLAB的系統(tǒng)辨識功能來完成位移模型的建立。②為實(shí)現(xiàn)微夾鉗夾持臂位移的控制，基于利用應(yīng)變片檢測微夾鉗夾持臂位移技術(shù)的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計了包括惠斯通電橋、應(yīng)變信號處理電路、dSPACE和主機(jī)四大部分的微夾鉗控制系統(tǒng)，完成了包括放大、濾波、零偏校正電路組成應(yīng)變信號處理電路的設(shè)計。③針對壓電執(zhí)行器的遲滯現(xiàn)象，本文提出并研究了帶前饋控制環(huán)節(jié)和PID的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，利用已得到的傳遞函數(shù)在MATLAB中采用ZieglerNichols法仿真得到PID控制器的參數(shù)，簡化了參數(shù)整定過程?；谝延械姆治雠c研究，對于后續(xù)研究工作有以下方面可以作進(jìn)一步努力加以改進(jìn)和完善：①對建立的夾持臂位移模型，由于它是基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上計算得出的，由于實(shí)驗(yàn)儀器、條件、環(huán)境等影響實(shí)驗(yàn)存在一定得誤差，因此如果能在理論上行建立夾持臂位移模型，將會更加準(zhǔn)確。③控制方法的改進(jìn)，本文研究的帶前饋控制環(huán)節(jié)和PID反饋的控制，控制中的PID控制器參數(shù)是固定不變的，使得PID控制適應(yīng)性較差，如何準(zhǔn)確而又實(shí)時的在線調(diào)整PID控制器的參數(shù)是進(jìn)一步提高控制效果的關(guān)鍵。微夾鉗夾爪力模型相對要更復(fù)雜，構(gòu)建夾爪的力模型實(shí)現(xiàn)夾爪的力與位置雙控制，將會達(dá)到更好的控制效果。導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、求實(shí)創(chuàng)新的科研精神、廣博的專業(yè)知識、深刻獨(dú)到的學(xué)術(shù)見解、忘我投入的工作熱情使我深受感動和啟迪。在此我要向王老師致以最衷心的感謝和深深的敬意。感謝實(shí)驗(yàn)室的師兄師姐們在學(xué)習(xí)中給予了不可或